Разработка генераторно-усилительного модуля 3-см диапазона

Введение

Усилители мощности на многорезонаторных клистронах находят широкое применение в современной технике СВЧ. Клистроны используются в оконечных каскадах передатчиков. Большое усиление, свойственное клистронам (свыше 40 дБ), приводит к тому, что энергетические и качественные характеристики передатчика практически определяются характеристиками оконечного каскада на клистроне. Клистронные передатчики используются в радиолокации, тропосферной радиорелейной связи, в космической связи, телевидении и навигации. Клистронные усилители применяются в технике ускорителей элементарных частиц.  

Основными параметрами клистронного усилителя являются его мощность, КПД, усиление, и полоса усиливаемых частот.

Из ламп с линейным лучом у клистрона один из самых высоких коэффициентов полезного действия: до 70-75 % в трёхсантиметровом диапазоне и до 40% в миллиметровом диапазоне В отличие от любого другого микроволнового источника мощности, клистроны применяются и разрабатываются по всему спектру радиочастот – от 200 МГц до 100 ГГц.

Клистроны являются сравнительно узкополосными приборами – их относительная  полоса усиливаемых частот не превышает единиц процентов (5-6%).  Расширение полосы усиливаемых частот является важной задачей техники СВЧ и диктуется необходимостью усиления широкополосных сигналов или требованием работы в диапазоне частот без механической перестройки. 

Клистроны могут иметь импульсную мощность до 1 ГВт  в 30 см диапазоне при частоте повторения импульсов 5 Гц и длительностью 1 мкс (компания SLAC и Лос-Аламосская национальная лаборатория). Средняя мощность доходит до сотен киловатт. Средняя мощность выходного сигнала клистрона практически не ограничена и зависит от размера и интенсивности охлаждения выходной резонансной системы и коллектора, который может быть сделан произвольно большим. Уже создан 3-см клистрон на 1 МВт в непрерывном режиме.

Уровни СВЧ мощности от десятков до ста и более ватт в средней части сантиметрового диапазона, являются пограничными между мощностями твердотельных и электровакуумных усилительных приборов. Между тем, малогабаритные эффективные передатчики с такой мощностью необходимы для ряда применений, особенно в аппаратуре авиационно-космического назначения. Ни твердотельная, ни вакуумная технологии в отдельности не способны обеспечить оптимальную конструкцию передатчика по совокупности таких параметров, как масса, габариты, КПД, потребляемая мощность, шумы и др. Поэтому сформировалось направление новых оптимизированных приборов, объединивших обе технологии и получивших название "мощные СВЧ-модули". Эти модули заняли промежуточную по мощности область между твердотельными и вакуумными приборами и при этом заимствовали лучшие качества и тех, и других.

Твердотельные усилители в составе модулей выполняются на GaAs PHEMT-транзисторах. Их назначение – усиление входного СВЧ-сигнала до уровня, достаточного для нормальной работы клистронов с не очень высоким уровнем усиления.

Совокупность параметров позволяет широко использовать модули в системах радиоэлектронной борьбы, включая аппаратуру электронного подавления и создания ложных целей. Они могут также применяться в мобильной спутниковой связи военного и гражданского назначения. Сегодня модули остаются одним из приоритетных направлений разработок в СВЧ-электронике.

В ОКБ ЗАО «Светлана-Электронприбор» в последние годы разработаны модули с предварительными транзисторными усилителями:

-   с усилением 57 дБ  (10 мВт → 5 кВт  в полосе 400 МГц, 2001 г.)

- с усилением 50 дБ (10 мВт → 1 кВт, в полосе 500 МГц с неравномерностью 0.5 дБ, 2003 г.).

Начат переход к более коротким волнам – разработан двуствольный многолучевой клистрон 2-см диапазона с выходной мощностью 15 - 30 кВт (в среднем не менее 1 кВт) и с усилением 40 дБ в полосе 500 МГц и первые образцы поставлены потребителю.

Данная работа посвящена разработке генераторно-усилительного модуля, предназначенного для формирования сигнала в заданном диапазоне частот в составе специальной аппаратуры.